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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanordnung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches.
Eine solche Anordnung ist bekanntgeworden aus der WO 98/22991 A1, bei der im Inneren ein
Nachbrenner vorhanden ist, der für eine komplette Verbrennung der der Brennstoffzelle zugeführ- ten Gase sorgt.
Bei Anlagen mit Brennstoffzellenanordnungen wird nur ein Teil der eingesetzten Kohlenwas- serstoffe, die in den Reformer gelangen, in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Auch die
Brennstoffzellen selbst setzen nur einen Teil des Brenngases um. Das Abgas der Brennstoffzellen enthält daher brennbare Bestandteile, in der Regel Methan und andere Kohlenwasserstoffe,
Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas.
Bei bekannten Brennstoffzellenanordnungen ergibt sich der Nachteil, dass diese brennbaren
Bestandteile im Abgas der Brennstoffzellen nicht genützt werden können, da das Abgas in seiner Gesamtheit nicht zündfähig ist.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die eine sehr weitgehende Nutzung der eingesetzten Primarenergie ermöglicht.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs näher bezeichneten Art durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist es möglich, die im Abgas der Brennstoffzellen enthaltenen brennbaren Bestandteile katalytisch zu verbrennen, wobei durch die vorgesehene elektrische Beheizung des Katalysators sichergestellt ist, dass die angestrebte Reaktion sicher einsetzt. Dadurch ist eine Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie und dadurch eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennstoffzellenanordnung möglich. Die durch die Nachverbrennung erzeugte Wärme kann über einen nachgeschalteten Wärmetauscher genutzt werden.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil einer in konstruktiver Hinsicht sehr einfachen Lösung, bei der kein Netzanschluss erforderlich ist. Allerdings muss dabei in der Startphase der Brennstoffzellen für kurze Zeit auf die Nachverbrennung verzichtet werden.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil, dass in der Startphase die Nachverbrennung sehr rasch einsetzen kann, wobei beim Start der Brennstoffzellen die Heizung des Nachbrenners von einem Netz oder einer Batterie versorgt wird, und sobald die Stromerzeugung der Brennstoffzellen entsprechend eingesetzt hat, die Versorgung der Heizung auf die Brennstoffzellen umgeschaltet wird.
Zur Einsparung von Energie ist es vorteilhaft, die Merkmale des Anspruches 4 vorzusehen.
Durch die Merkmale der Ansprüche 5 bis 7 kann die Heizung in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten gesteuert werden, wodurch Energie eingespart werden kann. Letzteres wird in besonderem Ausmass durch die Merkmale des Anspruches 8 erreicht.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine erfindungsgemässe Brennstoffzellenanordnung zeigt.
Bei der erfindungsgemässen Brennstoffzellenanordnung 23 ist ein Reformer 1 vorgesehen, der über eine Gasleitung 5, eine Wasserleitung 6 und eine Luftleitung 7 versorgbar ist und Wasserstoffgas und Kohlendioxid erzeugt.
Das im Reformer 1 erzeugte Prozessgas wird über eine Verbindungsleitung 8 einem selektiven Oxidierer 2 zugeführt, der Kohlenmonoxid in Kohlendioxid oxidiert.
Das in dem Oxidierer 2 vom Kohlenmonoxid gereinigte Prozessgas gelangt über eine Anschlussleitung 9 zu einer oder mehreren Brennstoffzellen 3, aus der bzw denen eine elektrische Ausleitung 13 wegführt.
Das in der Brennstoffzelle 3 erzeugte Abgas wird über eine Abgasleitung 10 abgeführt, die zu einem katalytischen Nachbrenner 4 führt, der mit einer elektrischen Heizung versehen ist. Dieser Nachbrenner ist mit einem Abgasstutzen 11 versehen, über den das ausgebrannte Abgas abströmen kann.
Diese Heizung kann beim dargestellten Ausführungsbeispiel wahlweise von einem Netzanschluss 14 oder über eine weitere elektrische Ausleitung 12 von den Brennstoffzellen 3 mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei der Netzanschluss 14 und die elektrische Ausleitung 12 an einem Wahlschalter 15 angeschlossen sind.
Der Ausgang des Wahlschalters 15 ist mit einer Steuerung 16 verbunden, die ihrerseits mit
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einem Abgas-Temperaturfühler 17 über eine Signalleitung 18, mit einem Fühler 19 zur Erfassung der Zusammensetzung des Abgases, die beide in der Abgasleitung 10 angeordnet sind, über eine Signalleitung 20 verbunden ist. Weiters ist die Steuerung 16 über eine Signalleitung 21 mit einem Fühler 22 zur Erfassung der Belastung der Brennstoffzellen 3 verbunden.
Im Betrieb wird dem Reformer 1 Wasser, Brenngas und Luft zugeführt, der Prozessgas mit einem erheblichen Anteil an Wasserstoffgas erzeugt. Dieses Prozessgas wird im Oxidierer 2 teilweise oxidiert, wobei Kohlenmonoxidanteile zu Kohlendioxid oxidiert werden. Dieses aufbereitete Prozessgas wird in der Brennstoffzelle 3 umgesetzt und dabei Strom erzeugt. Dabei entsteht auch Abgas, in dem auch brennbare Stoffe enthalten sind.
Diese werden im nachgeordneten katalytischen Nachbrenner 4 verbrannt, wobei jedoch eine entsprechend hohe Temperatur erforderlich ist. Um diese zu erreichen, wird die Heizung des Nachbrenners 4 mit elektrischer Energie versorgt.
Diese kann in der Startphase vom Netzanschluss 14 über den Wahlschalter 15 bereitgestellt werden. Sobald die Stromerzeugung der Brennstoffzellen 3 einen bestimmten Pegel erreicht hat, kann auf eine Versorgung der Heizung des Nachbrenners 4 auf die Brennstoffzellen 3 umgeschaltet werden
Die Steuerung 16 sorgt dabei für eine Regelung der Heizung bzw. deren Beaufschlagung in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen, wie der Temperatur des zur Verfügung stehenden Abgases der Brennstoffzellen 3, dessen Zusammensetzung und der Belastung der Brennstoffzellen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Heizung des Nachbrenners 4 nicht mehr als nötig Energie zugeführt wird, wobei diese bei ausreichender Temperatur des Katalysators des Nachbrenners die elektrische Heizung desselben auch abgeschaltet werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Brennstoffzellenanordnung mit zugehörigen Hilfsaggregaten, wie Reformer (1) und selek- tiver Oxidierer (2) sowie den entsprechenden Zu- und Ableitungen (5,6, 7 ; 10) für Wasser,
Brenngas, Luft und Abgas, wobei eine Abgasleitung (10) zu einem Nachbrenner (4) führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (4) katalytisch arbeitend ausgebildet und elektrisch beheizbar ist.
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The invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of the independent claim.
Such an arrangement has become known from WO 98/22991 A1, in which an inside
Afterburner is available, which ensures complete combustion of the gases supplied to the fuel cell.
In plants with fuel cell arrangements, only a part of the hydrocarbons used, which reach the reformer, are converted into hydrogen and carbon dioxide. Also the
Fuel cells themselves only convert part of the fuel gas. The exhaust gas from the fuel cells therefore contains flammable constituents, usually methane and other hydrocarbons,
Carbon monoxide and hydrogen gas.
Known fuel cell arrangements have the disadvantage that they are combustible
Components in the exhaust gas of the fuel cells cannot be used because the exhaust gas as a whole is not ignitable.
The aim of the invention is to avoid this disadvantage and to propose a fuel cell arrangement of the type mentioned at the outset which enables very extensive use of the primary energy used.
According to the invention, this is achieved in a fuel cell arrangement of the type specified in the introduction by the features of the independent patent claim.
The proposed measures make it possible to catalytically burn the combustible constituents contained in the exhaust gas from the fuel cells, the electrical heating of the catalytic converter ensuring that the desired reaction starts reliably. This makes it possible to use the energy contained in the exhaust gas and thereby increase the efficiency of the fuel cell arrangement. The heat generated by the afterburning can be used via a downstream heat exchanger.
The features of claim 2 result in the advantage of a very simple solution in terms of construction, in which no network connection is required. However, post-combustion has to be dispensed with for a short time in the starting phase of the fuel cells.
The features of claim 3 result in the advantage that afterburning can start very quickly, the heater of the afterburner being supplied by a network or a battery when the fuel cells are started, and as soon as the power generation of the fuel cells has started accordingly, the heating supply is switched to the fuel cells.
To save energy, it is advantageous to provide the features of claim 4.
Due to the features of claims 5 to 7, the heating can be controlled depending on the particular circumstances, whereby energy can be saved. The latter is achieved to a particular extent by the features of claim 8.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, which schematically shows a fuel cell arrangement according to the invention.
In the fuel cell arrangement 23 according to the invention, a reformer 1 is provided which can be supplied via a gas line 5, a water line 6 and an air line 7 and which produces hydrogen gas and carbon dioxide.
The process gas generated in the reformer 1 is fed via a connecting line 8 to a selective oxidizer 2, which oxidizes carbon monoxide in carbon dioxide.
The process gas cleaned of carbon monoxide in the oxidizer 2 reaches a connection line 9 to one or more fuel cells 3, from which an electrical discharge line 13 leads away.
The exhaust gas generated in the fuel cell 3 is discharged via an exhaust gas line 10, which leads to a catalytic afterburner 4, which is provided with an electrical heater. This afterburner is provided with an exhaust pipe 11 through which the burned-out exhaust gas can flow out.
In the exemplary embodiment shown, this heater can be supplied with electrical energy either from a mains connection 14 or via a further electrical discharge line 12 from the fuel cells 3, the mains connection 14 and the electrical discharge line 12 being connected to a selector switch 15.
The output of the selector switch 15 is connected to a controller 16, which in turn is connected to
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an exhaust gas temperature sensor 17 via a signal line 18, with a sensor 19 for detecting the composition of the exhaust gas, both of which are arranged in the exhaust line 10, via a signal line 20. Furthermore, the controller 16 is connected via a signal line 21 to a sensor 22 for detecting the load on the fuel cells 3.
In operation, the reformer 1 is supplied with water, fuel gas and air, which generates process gas with a significant proportion of hydrogen gas. This process gas is partially oxidized in the oxidizer 2, with carbon monoxide components being oxidized to carbon dioxide. This processed process gas is converted in the fuel cell 3 and electricity is generated in the process. This also creates exhaust gas, which also contains flammable substances.
These are burned in the downstream catalytic afterburner 4, but a correspondingly high temperature is required. To achieve this, the heater of the afterburner 4 is supplied with electrical energy.
In the start-up phase, this can be provided by the mains connection 14 via the selector switch 15. As soon as the power generation of the fuel cells 3 has reached a certain level, the heating of the afterburner 4 can be switched over to the fuel cells 3
The controller 16 ensures that the heating is regulated or acted upon depending on the respective operating conditions, such as the temperature of the available exhaust gas from the fuel cells 3, its composition and the load on the fuel cells. This can ensure that the heating of the afterburner 4 is not supplied with more energy than is necessary, and if the temperature of the catalyst of the afterburner is sufficient, the electrical heating thereof can also be switched off.
PATENT CLAIMS:
1. fuel cell arrangement with associated auxiliary units, such as reformer (1) and selective oxidizer (2) and the corresponding supply and discharge lines (5, 6, 7; 10) for water,
Fuel gas, air and exhaust gas, an exhaust pipe (10) leading to an afterburner (4), characterized in that the afterburner (4) is designed to be catalytic and can be heated electrically.